JPH08300034A - 超塑性押出し加工方法 - Google Patents
超塑性押出し加工方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 大型で複雑な形状を有し、高い強度を有する
金属合金部材を製造するための超塑性押出し加工方法を
与える。 【解決手段】 超塑性押出し加工法は、超塑性の性質を
示す範囲にあるように微細結晶粒で高い強度を有する金
属合金を保持するため歪み速度と温度とが注意深く制御
されている。歪み速度と温度は、金属流動に対して要求
される応力が従来よりも低い応力になるように、超塑性
押出し加工の間において制御される。その低い応力によ
って、強度の弱い押出し加工型を使用することができ
る。これにより、より大きな押出し加工された部材にお
いて薄い断面を形成することができる。超塑性押出し加
工の後、部材は溶体化処理、引張り矯正加工およびクリ
ープ時効成形が行なわれる。このようにして成形された
金属合金部材は従来の金属合金と比較して、強度、等方
性、粘性、靭性および耐腐食性に優れている。
金属合金部材を製造するための超塑性押出し加工方法を
与える。 【解決手段】 超塑性押出し加工法は、超塑性の性質を
示す範囲にあるように微細結晶粒で高い強度を有する金
属合金を保持するため歪み速度と温度とが注意深く制御
されている。歪み速度と温度は、金属流動に対して要求
される応力が従来よりも低い応力になるように、超塑性
押出し加工の間において制御される。その低い応力によ
って、強度の弱い押出し加工型を使用することができ
る。これにより、より大きな押出し加工された部材にお
いて薄い断面を形成することができる。超塑性押出し加
工の後、部材は溶体化処理、引張り矯正加工およびクリ
ープ時効成形が行なわれる。このようにして成形された
金属合金部材は従来の金属合金と比較して、強度、等方
性、粘性、靭性および耐腐食性に優れている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属合金を超塑性
押出し成形するための超塑性押出し加工方法に関するも
のである。
押出し成形するための超塑性押出し加工方法に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】高い強度の金属合金から製造される構造
物は、一般に単体のシートや板や鍛造部材から組み上げ
られ機械的に固定された組立部品を含んでいる。このよ
うにして組立部品を組立てできた構造物は、しかしなが
ら、構造物の重量の軽減や製造コストの削減に対して厳
しい限界がある。
物は、一般に単体のシートや板や鍛造部材から組み上げ
られ機械的に固定された組立部品を含んでいる。このよ
うにして組立部品を組立てできた構造物は、しかしなが
ら、構造物の重量の軽減や製造コストの削減に対して厳
しい限界がある。
【０００３】高い強度を有する金属組立部品のコストを
低減する主な方法は、一体構造法を用いて製造すること
のできる構造を設計することである。そのような一体構
造の方法の１つに、よく知られた押出し加工方法があ
る。
低減する主な方法は、一体構造法を用いて製造すること
のできる構造を設計することである。そのような一体構
造の方法の１つに、よく知られた押出し加工方法があ
る。
【０００４】従来の技術として、たとえば、均一溝型ア
ングル材押出し加工（以下「ＥＣＡＥ（Equal Channel
Angular Extrusion の略）」と記す）、粉末冶金学、多
段ステップ、多軸恒温、制御された歪み速度鍛造は、金
属合金において均一で、等軸で、超微細結晶粒の顕微鏡
構造を形成することができる。ＥＣＡＥプロセスは、厚
い断面ビレットにおいて、超微細結晶粒を形成すること
ができるが、たとえば、１インチの厚さのプレートにつ
いて Segalらによって“The Application of Equal Cha
nnel Angular Extrusion to Produce Extraordinary Pr
operties in Atvanced Metallic Materials,”First In
t. Conf. on Proc. Mat. for Prop., Henein他編集., p
p.971-74, Honolulu, HI, （1993）．に記述されてい
る。ＥＣＡＥプロセスにおいては、図２に示すように、
ビレット２２は均一断面を有する垂直溝型を通って押出
される。ＥＣＡＥプロセスにおいては点線２４で示すよ
うに、ビレットを横切って均一な剪断応力歪みが発生す
る。低い圧力の下でＥＣＡＥによる型において、ビレッ
ト２２が通る複数の孔のパスによってはビレット２２の
外径寸法が変わることはなく、高い累積的な変形をバル
クに形成することができる。このような高い累積歪みを
与えることができるというＥＣＡＥの能力は、厚い断面
ビレットを一貫して均一で等軸で超微細結晶粒を含む顕
微鏡構造を例外的に制御することができる。他のよく知
られた方法、たとえば、U. S. Pat. No.4,721,537に記
載されている「Method of Producing a Fine Grain Alu
minum Alloy using Three Axes Deformation」には、ビ
レットの大きさを大きくすることが困難なことが明らか
にされている。一般にそのような方法は、特別に作られ
た薄いシートや急速凝固粉末法によってのみしか顕微鏡
構造を制御することができない。
ングル材押出し加工（以下「ＥＣＡＥ（Equal Channel
Angular Extrusion の略）」と記す）、粉末冶金学、多
段ステップ、多軸恒温、制御された歪み速度鍛造は、金
属合金において均一で、等軸で、超微細結晶粒の顕微鏡
構造を形成することができる。ＥＣＡＥプロセスは、厚
い断面ビレットにおいて、超微細結晶粒を形成すること
ができるが、たとえば、１インチの厚さのプレートにつ
いて Segalらによって“The Application of Equal Cha
nnel Angular Extrusion to Produce Extraordinary Pr
operties in Atvanced Metallic Materials,”First In
t. Conf. on Proc. Mat. for Prop., Henein他編集., p
p.971-74, Honolulu, HI, （1993）．に記述されてい
る。ＥＣＡＥプロセスにおいては、図２に示すように、
ビレット２２は均一断面を有する垂直溝型を通って押出
される。ＥＣＡＥプロセスにおいては点線２４で示すよ
うに、ビレットを横切って均一な剪断応力歪みが発生す
る。低い圧力の下でＥＣＡＥによる型において、ビレッ
ト２２が通る複数の孔のパスによってはビレット２２の
外径寸法が変わることはなく、高い累積的な変形をバル
クに形成することができる。このような高い累積歪みを
与えることができるというＥＣＡＥの能力は、厚い断面
ビレットを一貫して均一で等軸で超微細結晶粒を含む顕
微鏡構造を例外的に制御することができる。他のよく知
られた方法、たとえば、U. S. Pat. No.4,721,537に記
載されている「Method of Producing a Fine Grain Alu
minum Alloy using Three Axes Deformation」には、ビ
レットの大きさを大きくすることが困難なことが明らか
にされている。一般にそのような方法は、特別に作られ
た薄いシートや急速凝固粉末法によってのみしか顕微鏡
構造を制御することができない。
【０００５】一般に、押出し加工は金属合金の部分的な
複雑さ、最小の加工の厚さ、加工する大きさおよび局部
的な顕微鏡構造の制御には限界があるため、大型で高い
強度を持つ金属合金部材に対しては有用ではない。
複雑さ、最小の加工の厚さ、加工する大きさおよび局部
的な顕微鏡構造の制御には限界があるため、大型で高い
強度を持つ金属合金部材に対しては有用ではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】高い強度を有する金属
合金部材において重量を減らしたりコストを低減したり
する可能性のために特に航空機産業において、高い強度
を有する金属合金の一体構造のプロセスに改良が望まれ
ている。しかし、上述したように、大型で高い強度を有
する金属合金部材に対する押出し加工法では、形状、厚
さおよび大きさに限界があったり、合金の局部的な顕微
鏡構造の制御には限界があった。本発明の主な目的は、
高い強度を有する金属合金部材を一体的に成形すること
である。本発明の特徴は、金属がある作用応力下で、破
断に至るまでに数百％以上の巨大伸びを生ずる現象を利
用した超塑性押出し加工のプロセスにある。本発明の効
果は、均一、等方的な機械的性質および耐腐食性質を有
しつつ、大型で一体的に成形され複雑な形状を有し、重
量が軽く低コストで耐久性があり矯正可能な高い強度を
有する金属合金を成形することができることである。
合金部材において重量を減らしたりコストを低減したり
する可能性のために特に航空機産業において、高い強度
を有する金属合金の一体構造のプロセスに改良が望まれ
ている。しかし、上述したように、大型で高い強度を有
する金属合金部材に対する押出し加工法では、形状、厚
さおよび大きさに限界があったり、合金の局部的な顕微
鏡構造の制御には限界があった。本発明の主な目的は、
高い強度を有する金属合金部材を一体的に成形すること
である。本発明の特徴は、金属がある作用応力下で、破
断に至るまでに数百％以上の巨大伸びを生ずる現象を利
用した超塑性押出し加工のプロセスにある。本発明の効
果は、均一、等方的な機械的性質および耐腐食性質を有
しつつ、大型で一体的に成形され複雑な形状を有し、重
量が軽く低コストで耐久性があり矯正可能な高い強度を
有する金属合金を成形することができることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は超塑性押出し加
工方法を含み、たとえば航空機産業において用いられる
ような大型で複雑な形を有し、高い強度の金属合金部材
を製造するのに有用なものである。超塑性押出し加工
は、そのプロセスにおいて、超塑性を示す範囲に金属合
金を維持するように注意深く制御された歪み速度と温度
とを除けば、従来の押出し加工プロセスとよく似てい
る。典型的な粗い粒径や再結晶化されていない金属合金
を用いることは、超塑性押出し加工は実用的ではない。
しかしながら、超塑性押出し加工に要求される歪み速度
と温度は、たとえば粒径がサブミクロンを含む１０ミク
ロン以下の微細結晶粒を有する金属合金を含むように維
持することができる。そのような合金系は、アルミニウ
ム合金、チタニウム合金、ニッケル、コバルトおよび鉄
をベースとした超合金、ステンレス鋼、炭素鋼、銅合
金、マグネシウム合金、および他の超塑性を形成するこ
とができる合金を含んでいる。
工方法を含み、たとえば航空機産業において用いられる
ような大型で複雑な形を有し、高い強度の金属合金部材
を製造するのに有用なものである。超塑性押出し加工
は、そのプロセスにおいて、超塑性を示す範囲に金属合
金を維持するように注意深く制御された歪み速度と温度
とを除けば、従来の押出し加工プロセスとよく似てい
る。典型的な粗い粒径や再結晶化されていない金属合金
を用いることは、超塑性押出し加工は実用的ではない。
しかしながら、超塑性押出し加工に要求される歪み速度
と温度は、たとえば粒径がサブミクロンを含む１０ミク
ロン以下の微細結晶粒を有する金属合金を含むように維
持することができる。そのような合金系は、アルミニウ
ム合金、チタニウム合金、ニッケル、コバルトおよび鉄
をベースとした超合金、ステンレス鋼、炭素鋼、銅合
金、マグネシウム合金、および他の超塑性を形成するこ
とができる合金を含んでいる。
【０００８】たとえば、幅広く用いられているＡＡ７４
７５（Aluminum Association Designation）アルミニウ
ム合金、あるいは、ごく最近開発されたＡＡ２０９０ア
ルミニウム合金のような高い強度を持ち熱処理を行なう
ことができる金属合金が、まず初めに製造され、均一で
等軸で微細結晶粒を持つようになった。これは、たとえ
ばＥＣＡＥとしてよく知られた従来の技術によって、１
インチの厚さの断面部材を有する合金でも達成できるで
あろう。微細結晶粒を有する合金ビレットは、超塑性押
出し加工（ＳＰＥ（super plastic extrusion の略））
に適している。
７５（Aluminum Association Designation）アルミニウ
ム合金、あるいは、ごく最近開発されたＡＡ２０９０ア
ルミニウム合金のような高い強度を持ち熱処理を行なう
ことができる金属合金が、まず初めに製造され、均一で
等軸で微細結晶粒を持つようになった。これは、たとえ
ばＥＣＡＥとしてよく知られた従来の技術によって、１
インチの厚さの断面部材を有する合金でも達成できるで
あろう。微細結晶粒を有する合金ビレットは、超塑性押
出し加工（ＳＰＥ（super plastic extrusion の略））
に適している。
【０００９】微細結晶粒ビレットの超塑性押出し加工の
間に、温度と歪み速度は、メタルフローに必要な応力が
従来の押出し加工において要求される応力よりもかなり
低くなるように制御される。低い変形ストレスにより、
もっと弱い押出し加工型を用いることができる。このこ
とは、与えられた圧力ローディング容量により押出し加
工された部材において、より薄い部分や大型の一体型の
押出しパネルを製造することができることを示してい
る。このようにして、超塑性押出し加工プロセスは、た
とえば中空の閉鎖型箱型パネル、あるいは、一体型のＴ
型補強された航空機用の薄板を生産するのに有用であ
る。
間に、温度と歪み速度は、メタルフローに必要な応力が
従来の押出し加工において要求される応力よりもかなり
低くなるように制御される。低い変形ストレスにより、
もっと弱い押出し加工型を用いることができる。このこ
とは、与えられた圧力ローディング容量により押出し加
工された部材において、より薄い部分や大型の一体型の
押出しパネルを製造することができることを示してい
る。このようにして、超塑性押出し加工プロセスは、た
とえば中空の閉鎖型箱型パネル、あるいは、一体型のＴ
型補強された航空機用の薄板を生産するのに有用であ
る。
【００１０】超塑性押出し加工の後、一体型の剛性を有
するパネルは、溶体化処理され引張り矯正加工される。
引張り矯正加工は、パネルが押出し加工型を通過してい
るときや、溶体化処理に伴う水によって急冷されている
間に生ずる変形を取除くことができる。このことは、ま
たいくらかの変形エネルギを与え、Ｔ６焼戻しよりもよ
り高い強度のＴ８焼戻しを行なうことができる。そし
て、たとえばＡＡ２０９０アルミニウム合金に高い強度
をもたらす。押出されたパネルは、押出し方向に横切る
方向の曲率を有するとともに、この曲率の方向と直交す
る方向に曲率が生じるのを防ぐ一体的剛性の特徴を本来
備えているが、パネルは、加圧器においてクリープ時効
成形され複雑な曲率を形成することができる。微細結晶
粒は室温において並外れた高い強度を与えるが、緩やか
に昇温された場合にのみ顕著な結晶粒界の滑りが発生す
る。これは、結果的に実際の温度と加えられた変形応力
に依存する高いクリープ速度あるいは超塑性をもたら
す。このようにして、２００〜３００ｐｓｉの圧力と２
５０〜３００°Ｆの温度範囲の温度を与えることができ
る加圧器において、押出し加工されたパネルへのシンプ
ルバキュームシーリング法は、熱処理による時効により
合金をＴ８焼戻しし、クリープ成形によりパネル全体に
わたって複雑な曲率を形成することができる。
するパネルは、溶体化処理され引張り矯正加工される。
引張り矯正加工は、パネルが押出し加工型を通過してい
るときや、溶体化処理に伴う水によって急冷されている
間に生ずる変形を取除くことができる。このことは、ま
たいくらかの変形エネルギを与え、Ｔ６焼戻しよりもよ
り高い強度のＴ８焼戻しを行なうことができる。そし
て、たとえばＡＡ２０９０アルミニウム合金に高い強度
をもたらす。押出されたパネルは、押出し方向に横切る
方向の曲率を有するとともに、この曲率の方向と直交す
る方向に曲率が生じるのを防ぐ一体的剛性の特徴を本来
備えているが、パネルは、加圧器においてクリープ時効
成形され複雑な曲率を形成することができる。微細結晶
粒は室温において並外れた高い強度を与えるが、緩やか
に昇温された場合にのみ顕著な結晶粒界の滑りが発生す
る。これは、結果的に実際の温度と加えられた変形応力
に依存する高いクリープ速度あるいは超塑性をもたら
す。このようにして、２００〜３００ｐｓｉの圧力と２
５０〜３００°Ｆの温度範囲の温度を与えることができ
る加圧器において、押出し加工されたパネルへのシンプ
ルバキュームシーリング法は、熱処理による時効により
合金をＴ８焼戻しし、クリープ成形によりパネル全体に
わたって複雑な曲率を形成することができる。
【００１１】このようにして得られた大型で複雑な曲率
を有し、薄い断面と一体的な剛性と高い強度を有する金
属合金パネルは、微細結晶粒を保持している。このこと
は、従来の結晶粒を有する金属合金と比較すると、強
度、粘性、靭性、耐腐食性に非常に優れていることを示
す。溶体化処理の間に顕著な結晶成長がたとえ起こって
も、十分に再結晶化された結晶粒構造の均一性と等軸性
の性質は、従来のように押出し加工された高い強度を有
する合金においては見られないような均一で等方的な機
械的性質を保証している。
を有し、薄い断面と一体的な剛性と高い強度を有する金
属合金パネルは、微細結晶粒を保持している。このこと
は、従来の結晶粒を有する金属合金と比較すると、強
度、粘性、靭性、耐腐食性に非常に優れていることを示
す。溶体化処理の間に顕著な結晶成長がたとえ起こって
も、十分に再結晶化された結晶粒構造の均一性と等軸性
の性質は、従来のように押出し加工された高い強度を有
する合金においては見られないような均一で等方的な機
械的性質を保証している。
【００１２】
【発明の実施の形態】まず、本発明の超塑性押出し加工
方法について説明する。この方法は他の優れた金属成形
方法と一緒に相乗的に組合わされて、高い強度を有する
金属合金の一体的に成形され複雑な形をした一枚岩のよ
うな部材を、従来のような組立部品よりも低いコストで
しかも軽量に成形することができる。図１は、超塑性押
出し加工プロセスと組合せて一体構造の金属部材を製造
するのに用いることのできるいくつかの金属成形技術の
概要を示したものである。
方法について説明する。この方法は他の優れた金属成形
方法と一緒に相乗的に組合わされて、高い強度を有する
金属合金の一体的に成形され複雑な形をした一枚岩のよ
うな部材を、従来のような組立部品よりも低いコストで
しかも軽量に成形することができる。図１は、超塑性押
出し加工プロセスと組合せて一体構造の金属部材を製造
するのに用いることのできるいくつかの金属成形技術の
概要を示したものである。
【００１３】図１を参照して、第１のステップ１１では
金属合金を溶融し精製する。超塑性押出し加工のプロセ
スに適した合金系は、アルミニウム合金、チタニウム合
金、ニッケル、コバルトおよび鉄をベースとした超合
金、ステンレス鋼、炭素鋼、銅合金、マグネシウム合金
および他の超塑性を形成することができる合金を含んで
いる。合金が精製された後、その合金はステップ１２に
示すようにインゴッドに鋳造される。
金属合金を溶融し精製する。超塑性押出し加工のプロセ
スに適した合金系は、アルミニウム合金、チタニウム合
金、ニッケル、コバルトおよび鉄をベースとした超合
金、ステンレス鋼、炭素鋼、銅合金、マグネシウム合金
および他の超塑性を形成することができる合金を含んで
いる。合金が精製された後、その合金はステップ１２に
示すようにインゴッドに鋳造される。
【００１４】超塑性押出し加工に備えて、ステップ１３
において、鋳造されたインゴッドを、たとえば、結晶粒
の大きさがサブミクロン以下の大きさを含む約１０ミク
ロン以下の均一で等軸の微細結晶粒顕微鏡組織を有する
押出し加工ビレットに成形することが必要である。
において、鋳造されたインゴッドを、たとえば、結晶粒
の大きさがサブミクロン以下の大きさを含む約１０ミク
ロン以下の均一で等軸の微細結晶粒顕微鏡組織を有する
押出し加工ビレットに成形することが必要である。
【００１５】図１において、ステップ１４に示されてい
るように、本発明の超塑性押出し加工（ＳＰＥ）方法
は、最初の金属合金ビレットが均一で等軸な微細結晶粒
を有している場合にのみ実用的である。このような金属
合金ビレットは上述したプロセスにより形成することが
できる。微細結晶粒は、結晶粒界滑りによる超塑性変形
機構を達成するのに必要である。従来の粗く非等軸の再
結晶化されていない結晶構造を有する合金は、超塑性機
構というよりはむしろ結晶学的な転位によってのみしか
効果的に変形することができない。
るように、本発明の超塑性押出し加工（ＳＰＥ）方法
は、最初の金属合金ビレットが均一で等軸な微細結晶粒
を有している場合にのみ実用的である。このような金属
合金ビレットは上述したプロセスにより形成することが
できる。微細結晶粒は、結晶粒界滑りによる超塑性変形
機構を達成するのに必要である。従来の粗く非等軸の再
結晶化されていない結晶構造を有する合金は、超塑性機
構というよりはむしろ結晶学的な転位によってのみしか
効果的に変形することができない。
【００１６】従来の金属部材押出し加工は、予熱された
ビレットと非恒温の型を用いて、最も高い歪み速度にお
いて行なわれる。図３に示すように、超塑性押出し加工
は、金属合金ビレットの歪み速度と温度とが押出し加工
の間において、超塑性の性質を示す範囲内にあるように
合金を維持するよう制御されていることを除けば、従来
の型による金属の押出し加工方法と類似している。
ビレットと非恒温の型を用いて、最も高い歪み速度にお
いて行なわれる。図３に示すように、超塑性押出し加工
は、金属合金ビレットの歪み速度と温度とが押出し加工
の間において、超塑性の性質を示す範囲内にあるように
合金を維持するよう制御されていることを除けば、従来
の型による金属の押出し加工方法と類似している。
【００１７】特定の金属に対して超塑性を示す温度範囲
は、上限が顕著な結晶成長を起こす温度と下限が超塑性
を示し始める温度との間にある。一般に、微細結晶粒材
料においては、超塑性はより低い温度で発生する。結晶
粒の大きさが増すにつれ、超塑性に適した温度は上昇
し、超塑性成形方法に適した温度範囲は、一般に、もは
や超塑性を示さないところまで狭まる。
は、上限が顕著な結晶成長を起こす温度と下限が超塑性
を示し始める温度との間にある。一般に、微細結晶粒材
料においては、超塑性はより低い温度で発生する。結晶
粒の大きさが増すにつれ、超塑性に適した温度は上昇
し、超塑性成形方法に適した温度範囲は、一般に、もは
や超塑性を示さないところまで狭まる。
【００１８】たとえば、超塑性を示す温度範囲内に維持
するように温度制御された恒温の型３２を用いて、微細
結晶粒ＳＰＥプロセスが行なわれている間に粒界滑りに
よる金属合金塑性流動応力は、従来の押出し加工の間に
生じる転位による変形によって発生する応力より１桁低
い。超塑性押出し加工の間に生じる低い流動応力によれ
ば、用いられる押出し加工型３２はもっと弱いものでも
よく、押出し加工３４に示すように交互に薄い断面を有
した部分や、与えられた圧力荷重容量に対してより大き
なオーバオールパネルを成形することができる。ＳＰＥ
プロセスは大型で、そして非常に薄い断面のパネルを製
造するのに用いることができる。たとえば、特定の押出
し型の最も速い歪み箇所において、超塑性の性質を示す
ように歪み速度を維持することによって、Ｔ型補強パネ
ル３４や閉鎖型箱型パネル３６を形成することができ
る。Ｔ型補強された押出し加工パネル３４や閉鎖型箱型
の押出し加工されたパネル３６の断面は、複雑な形状を
有する押出し加工された部材の例として、図４および図
５にそれぞれ示されている。超塑性押出し加工された部
材の最終的な顕微鏡組織は、従来のように押出し加工さ
れた製品と比較して、より優れ、そして、より等方的な
性質を与える均一で等軸な微細結晶粒構造を有してい
る。
するように温度制御された恒温の型３２を用いて、微細
結晶粒ＳＰＥプロセスが行なわれている間に粒界滑りに
よる金属合金塑性流動応力は、従来の押出し加工の間に
生じる転位による変形によって発生する応力より１桁低
い。超塑性押出し加工の間に生じる低い流動応力によれ
ば、用いられる押出し加工型３２はもっと弱いものでも
よく、押出し加工３４に示すように交互に薄い断面を有
した部分や、与えられた圧力荷重容量に対してより大き
なオーバオールパネルを成形することができる。ＳＰＥ
プロセスは大型で、そして非常に薄い断面のパネルを製
造するのに用いることができる。たとえば、特定の押出
し型の最も速い歪み箇所において、超塑性の性質を示す
ように歪み速度を維持することによって、Ｔ型補強パネ
ル３４や閉鎖型箱型パネル３６を形成することができ
る。Ｔ型補強された押出し加工パネル３４や閉鎖型箱型
の押出し加工されたパネル３６の断面は、複雑な形状を
有する押出し加工された部材の例として、図４および図
５にそれぞれ示されている。超塑性押出し加工された部
材の最終的な顕微鏡組織は、従来のように押出し加工さ
れた製品と比較して、より優れ、そして、より等方的な
性質を与える均一で等軸な微細結晶粒構造を有してい
る。
【００１９】本発明の超塑性押出し加工プロセスにおけ
る大きな効果は、高い強度を有する合金において、たと
えば、閉鎖型箱型パネル３６のように中空部材を押出し
加工することができることである。中空部材を有する最
も簡単な成形は円形管であるが、しかし、もっと多くの
複雑な形を連続的に押出し加工することができる。より
高い押出し加工圧力が要求される多孔を有する型は、あ
る圧力下で溶接することのできる合金を用いて使用され
る。多孔を有する型はその型の上面に開孔部が設けられ
ており、そこから材料が２つまたはそれ以上のセグメン
トに押し込まれ、そして型の表面の下で、一般に拡散結
合によって溶接され、中空部分の部材を成形するために
型に力が加えられる。押出し加工された管状の部分は、
型の上部より低い側に取付けられた心棒によって成形さ
れる。このことは、心棒に固定された支持を与え、押出
し加工の間に連続的な孔を形成することができる。材料
は、型のさまざまな部分に流れ、最終的な押出し加工の
前に適切に溶接成形することができるように剪断歪みを
起こさなければならない。
る大きな効果は、高い強度を有する合金において、たと
えば、閉鎖型箱型パネル３６のように中空部材を押出し
加工することができることである。中空部材を有する最
も簡単な成形は円形管であるが、しかし、もっと多くの
複雑な形を連続的に押出し加工することができる。より
高い押出し加工圧力が要求される多孔を有する型は、あ
る圧力下で溶接することのできる合金を用いて使用され
る。多孔を有する型はその型の上面に開孔部が設けられ
ており、そこから材料が２つまたはそれ以上のセグメン
トに押し込まれ、そして型の表面の下で、一般に拡散結
合によって溶接され、中空部分の部材を成形するために
型に力が加えられる。押出し加工された管状の部分は、
型の上部より低い側に取付けられた心棒によって成形さ
れる。このことは、心棒に固定された支持を与え、押出
し加工の間に連続的な孔を形成することができる。材料
は、型のさまざまな部分に流れ、最終的な押出し加工の
前に適切に溶接成形することができるように剪断歪みを
起こさなければならない。
【００２０】従来の多孔を有する型による押出し加工に
おいては、速い歪み速度と、非恒温の型と、そして大き
い結晶粒を有する金属とを用いる場合、たとえば、軟ら
かいアルミニウム合金のような非常に低い剪断強度を有
する合金に対して、限界があった。高い強度を有するア
ルミニウム、銅および鋼合金のようなより硬い合金系に
対しては、一般に、押出し加工の温度において、その高
い剪断強度のために多孔を有する型を用いて押出し加工
をすることができない。超塑性押出し加工プロセスにお
いては、しかしながら、微細結晶粒の材料の剪断強度は
およそ、１０分の１に減少するため、多孔を有する型を
通して押出し加工することができる。さらに、微細結晶
粒は多孔を有する型による押出し加工プロセスにおいて
中空部分に必要な、たとえば、拡散結合のような固体状
態による溶接を容易にする。
おいては、速い歪み速度と、非恒温の型と、そして大き
い結晶粒を有する金属とを用いる場合、たとえば、軟ら
かいアルミニウム合金のような非常に低い剪断強度を有
する合金に対して、限界があった。高い強度を有するア
ルミニウム、銅および鋼合金のようなより硬い合金系に
対しては、一般に、押出し加工の温度において、その高
い剪断強度のために多孔を有する型を用いて押出し加工
をすることができない。超塑性押出し加工プロセスにお
いては、しかしながら、微細結晶粒の材料の剪断強度は
およそ、１０分の１に減少するため、多孔を有する型を
通して押出し加工することができる。さらに、微細結晶
粒は多孔を有する型による押出し加工プロセスにおいて
中空部分に必要な、たとえば、拡散結合のような固体状
態による溶接を容易にする。
【００２１】次に、超塑性押出し加工方法の一例とし
て、アルミニウムリチウム合金であるＡＡ２０９０（Al
uminum Association designation）による超塑性押出し
加工方法について説明する。ただし、これは、本発明の
プロセスにおいて何ら限定するものではない。ＥＣＡＥ
によって、微細結晶粒にされたＡＡ２０９０合金の一定
の真歪み速度引張りテストにより、温度６６０°Ｆと１
０-4ｓｅｃ-1の真歪み速度において最も高い超塑性の振
る舞いを示した。テストの目的として、簡単な押出し加
工型を押出し比１５：１の下で成形し、前述の温度と歪
み速度において超塑性押出し加工プロセスができること
を証明した。押出し加工によるＩ型ビームは、一定の変
位速度を維持し、そして一定の温度になるように制御さ
れた型の下で圧力を加えて成形された。平均の歪み速度
εt は次の式で計算される。
て、アルミニウムリチウム合金であるＡＡ２０９０（Al
uminum Association designation）による超塑性押出し
加工方法について説明する。ただし、これは、本発明の
プロセスにおいて何ら限定するものではない。ＥＣＡＥ
によって、微細結晶粒にされたＡＡ２０９０合金の一定
の真歪み速度引張りテストにより、温度６６０°Ｆと１
０-4ｓｅｃ-1の真歪み速度において最も高い超塑性の振
る舞いを示した。テストの目的として、簡単な押出し加
工型を押出し比１５：１の下で成形し、前述の温度と歪
み速度において超塑性押出し加工プロセスができること
を証明した。押出し加工によるＩ型ビームは、一定の変
位速度を維持し、そして一定の温度になるように制御さ
れた型の下で圧力を加えて成形された。平均の歪み速度
εt は次の式で計算される。
【００２２】εt ＝６νｌｎＲ／Ｄb ここで、νは変位速度、すなわち押出し加工のラムスピ
ード、Ｒは押出し加工比、そして、Ｄb はビレットの直
径である。押出し加工比１５：１の下で微細結晶粒を有
するＡＡ２０９０合金の超塑性押出し加工は、非常に低
い圧力（たとえば押出し加工ビレットの内部において約
３００ｐｓｉ）の下で、温度６３５°Ｆ、ラムスピード
０．０００１インチ／秒において、良好に行なわれる。
超塑性押出し加工によって成形されたＩ型ビームの中央
部と底部のウエブは０．０２０インチ（０．５ｍｍ）の
厚さで表面の仕上がりは良好であった。標準的なＡＡ２
０９０合金を用い、この形を従来のように押出し加工す
ると１０倍以上の圧力が要求され、押出し加工型が破損
するであろう。
ード、Ｒは押出し加工比、そして、Ｄb はビレットの直
径である。押出し加工比１５：１の下で微細結晶粒を有
するＡＡ２０９０合金の超塑性押出し加工は、非常に低
い圧力（たとえば押出し加工ビレットの内部において約
３００ｐｓｉ）の下で、温度６３５°Ｆ、ラムスピード
０．０００１インチ／秒において、良好に行なわれる。
超塑性押出し加工によって成形されたＩ型ビームの中央
部と底部のウエブは０．０２０インチ（０．５ｍｍ）の
厚さで表面の仕上がりは良好であった。標準的なＡＡ２
０９０合金を用い、この形を従来のように押出し加工す
ると１０倍以上の圧力が要求され、押出し加工型が破損
するであろう。
【００２３】上で述べたように、超塑性押出し加工プロ
セスは、アルミニウム合金、チタニウム合金、ニッケ
ル、コバルトおよび鉄をベースとした超合金、ステンレ
ス鋼、炭素鋼、銅合金、マグネシウム合金および他の超
塑性を形成することができる合金を含む合金系に対して
適している。例として、これに限られたものではない
が、金属合金のさまざまな微細結晶粒に対して、超塑性
押出し加工の温度と歪み速度の数値を次の表１に示す。
セスは、アルミニウム合金、チタニウム合金、ニッケ
ル、コバルトおよび鉄をベースとした超合金、ステンレ
ス鋼、炭素鋼、銅合金、マグネシウム合金および他の超
塑性を形成することができる合金を含む合金系に対して
適している。例として、これに限られたものではない
が、金属合金のさまざまな微細結晶粒に対して、超塑性
押出し加工の温度と歪み速度の数値を次の表１に示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】押出し加工の後、たとえば、パネル３４の
ような一体に剛性化された部材は、図１のステップ１５
に示されているように溶体化処理され、そして、ステッ
プ１６に示されているように引張り矯正加工される。
ような一体に剛性化された部材は、図１のステップ１５
に示されているように溶体化処理され、そして、ステッ
プ１６に示されているように引張り矯正加工される。
【００２６】さらに、ステップ１７に示されているよう
に、加圧器において時効とクリープ成形とを同時に行な
う。低い応力の下においては、高いクリープ速度は緩や
かに上昇する温度の下でのみ達成することができる。な
ぜなら、超塑性押出し加工された部材の微細結晶粒顕微
鏡組織は顕著な結晶粒界滑りを起こすからである。しか
しながら、微細結晶粒顕微鏡組織は、室温において非常
に高い強度も与える。このような性質のために、押出し
加工された部材のシンプルバキュームシーリングは、た
とえば、高い強度を有するＡＡ２０９０アルミニウム合
金に対して２００〜３００ｐｓｉの圧力と２５０〜３０
０°Ｆの温度を与えることのできる加圧器において、高
い強度を有するＴ８焼戻しのような所望の状態にまで合
金を時効することができ、しかも同時に、所望の曲率を
有する金属またはセラミックの単純な押型器の表面のよ
うな型を用いて、複雑な曲率をクリープ成形することが
できる。従来の低温形成プロセスと比較すると、スプリ
ングバックと残留応力が無視できるため、クリープ時効
成形プロセスにおいては、寸法誤差も少なく再現性も高
い。トリミング、溶接および組立といった最終工程が、
図１のステップ１８に示すように行なわれる。
に、加圧器において時効とクリープ成形とを同時に行な
う。低い応力の下においては、高いクリープ速度は緩や
かに上昇する温度の下でのみ達成することができる。な
ぜなら、超塑性押出し加工された部材の微細結晶粒顕微
鏡組織は顕著な結晶粒界滑りを起こすからである。しか
しながら、微細結晶粒顕微鏡組織は、室温において非常
に高い強度も与える。このような性質のために、押出し
加工された部材のシンプルバキュームシーリングは、た
とえば、高い強度を有するＡＡ２０９０アルミニウム合
金に対して２００〜３００ｐｓｉの圧力と２５０〜３０
０°Ｆの温度を与えることのできる加圧器において、高
い強度を有するＴ８焼戻しのような所望の状態にまで合
金を時効することができ、しかも同時に、所望の曲率を
有する金属またはセラミックの単純な押型器の表面のよ
うな型を用いて、複雑な曲率をクリープ成形することが
できる。従来の低温形成プロセスと比較すると、スプリ
ングバックと残留応力が無視できるため、クリープ時効
成形プロセスにおいては、寸法誤差も少なく再現性も高
い。トリミング、溶接および組立といった最終工程が、
図１のステップ１８に示すように行なわれる。
【００２７】以上により、一連の超塑性押出し加工プロ
セスが終了する。なお、今回開示された実施の形態は、
単なる一例にすぎず、特許請求の範囲に記載された発明
の均等の範囲内において、種々の実施の態様を取り得る
ことが意図される。
セスが終了する。なお、今回開示された実施の形態は、
単なる一例にすぎず、特許請求の範囲に記載された発明
の均等の範囲内において、種々の実施の態様を取り得る
ことが意図される。
【図１】本発明に係る超塑性押出し加工を用い、一体構
造を有する金属部材を成形するステップを示した図であ
る。
造を有する金属部材を成形するステップを示した図であ
る。
【図２】従来の技術に係る微細結晶粒を有する金属ビレ
ットを製造するためのＥＣＡＥによるプロセスを示した
図である。
ットを製造するためのＥＣＡＥによるプロセスを示した
図である。
【図３】本発明に係る超塑性押出し加工によって、一体
構造を有する金属部材を製造するための恒温の押出し加
工型の斜視図である。
構造を有する金属部材を製造するための恒温の押出し加
工型の斜視図である。
【図４】本発明に係る超塑性押出し加工によって製造さ
れたＴ型補強金属パネル部材の断面を示した図である。
れたＴ型補強金属パネル部材の断面を示した図である。
【図５】本発明に係る超塑性押出し加工によって製造さ
れた密閉箱型金属パネル部材の断面を示した図である。
れた密閉箱型金属パネル部材の断面を示した図である。
２２ ビレット ３２ 押出し加工型 ３４ Ｔ型補強パネル
Claims (9)
- 【請求項１】 金属の超塑性押出し加工方法であって、 超塑性を示す温度および歪み速度内において、超塑性成
形に適した均一性、等軸性の微細結晶粒顕微鏡組織を有
する金属ビレットを供給する工程と、 前記超塑性を示す温度および歪み速度内に前記金属を保
持した状態で、押出し加工型を通して前記金属ビレット
を押出し加工する工程とを含む、超塑性押出し加工方
法。 - 【請求項２】 前記ビレットを押出し加工する工程は、 前記超塑性を示す温度範囲内に前記ビレットを保持する
ように、温度制御された押出し加工用型を備えた工程を
含む、請求項１に記載の超塑性押出し加工方法。 - 【請求項３】 前記温度制御された押出し加工用型を備
えた工程は、恒温的に制御された恒温押出し加工用型を
備えた、請求項２に記載の超塑性押出し加工方法。 - 【請求項４】 前記ビレットを押出し加工する工程は、 前記ビレットを前記超塑性を示す歪み速度内に維持する
ように、押出し加工のラム速度の制御を含む、請求項１
に記載の超塑性押出し加工方法。 - 【請求項５】 前記押出し加工のラム速度を制御する工
程は、 前記ビレットの最も速い歪み位置において、前記超塑性
を示す歪み速度に維持する工程を含む、請求項４に記載
の超塑性押出し加工方法。 - 【請求項６】 前記ビレットを供給する工程は、 前記均一性、等軸性の微細結晶粒顕微鏡組織を形成する
ために、前記ビレットの均一溝型アングル材押出し加工
による工程を含む、請求項１に記載の超塑性押出し加工
方法。 - 【請求項７】 前記押出し加工型から押出し加工された
部材を、クリープ時効成形する工程をさらに含む、請求
項１に記載の超塑性押出し加工方法。 - 【請求項８】 前記押出し加工の工程は、 前記押出し加工型から中空の断面部材を押出す工程を含
む、請求項１に記載の超塑性押出し加工方法。 - 【請求項９】 前記ビレットを供給する工程は、 アルミニウム合金と、チタニウム合金と、ニッケル、コ
バルトおよび鉄をベースとした超合金と、ステンレス鋼
と、炭素鋼と、銅合金と、マグネシウム合金とからなる
超塑性を形成することのできる金属の群から金属を選択
する工程を含む、請求項１に記載の超塑性押出し加工方
法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/431186 | 1995-04-28 | ||
| US08/431,186 US5620537A (en) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | Method of superplastic extrusion |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08300034A true JPH08300034A (ja) | 1996-11-19 |
| JP3782505B2 JP3782505B2 (ja) | 2006-06-07 |
Family
ID=23710838
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10133496A Expired - Lifetime JP3782505B2 (ja) | 1995-04-28 | 1996-04-23 | 超塑性加工方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5620537A (ja) |
| EP (1) | EP0739661B1 (ja) |
| JP (1) | JP3782505B2 (ja) |
| DE (1) | DE69516118T2 (ja) |
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- 1995-12-20 EP EP95120232A patent/EP0739661B1/en not_active Expired - Lifetime
-
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- 1996-04-23 JP JP10133496A patent/JP3782505B2/ja not_active Expired - Lifetime
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|---|---|
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